基于多總體均值向量檢驗法的不同季節茶葉鑒別技術研究

劉淑媚，周巧儀，凌彩金，王秋霜

(廣東省農業科學院茶葉研究所，廣東省茶樹資源創新利用重點實驗室，廣東廣州 510640)

茶葉是山茶科植物山茶的葉芽，在我國有著悠久的飲茶歷史，是世界三大飲料之首。近年來，國內外學者對茶葉的營養保健、防病治病等方面進行了一系列的研究[1-3]。茶葉具有抗衰老、抗疲勞、清除自由基、抗腫瘤等功能，這些生理功能與茶葉中含有多種營養物質和礦質元素有關。茶葉中富含500多種有機成分和礦質元素，其中具有營養價值的有機成分主要有茶多酚、咖啡堿、茶多糖等，還有多種維生素、氨基酸和礦物質元素[1]。構成這些化合物或以無機鹽形式存在的基本元素50多種，其中礦質元素是Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn等。眾所周知，礦質元素是參與調節人體生長發育和免疫過程的重要物質，在人體生理調節中起著重要的作用，攝入過多或缺少會引起人體生理功能障礙，因此飲用茶是獲取這些礦物質元素的重要途徑之一[4-5]。

總體服從多元正態分布的研究普遍存在于社會、經濟及自然科學等領域。多元統計分析問題所涉及到的數據形式全部是隨機向量或是隨機矩陣。該問題的處理在醫學、管理、經濟、工業生產及科學試驗研究等各領域的統計工作中都有廣泛的應用價值[6-7]。例如，在進行統計分析時，通常需要同時對多個指標進行研究。這些指標可作為隨機變量，隨機變量間往往會存在一定的聯系，因此需要把這些隨機變量作為總體來進行研究，多元統計分析可解決這一問題。兩正態總體均值向量檢驗法是多元統計分析方法中的一種。對于單個因素而言，利用t檢驗法可以得出滿意的結果，但對于多因素作為總體進行分析判定時，t檢驗法并不能全面、準確地反映總體差異的問題。兩正態總體均值向量檢驗法能夠在多個目標對象、多個指標相互關聯的情況下分析其統計規律，判斷滿足多元正態分布的總體的均值是否等于預判的向量，或者判斷2個獨立的、滿足多元正態分布的總體的均值是否相等。兩正態總體均值向量檢驗法多利用R軟件實現檢驗方法中的各個步驟，然后根據計算得出的結果進行分析，得出結論，從而解決實際問題[8]。

對于茶葉中礦質元素及生化成分的研究，目前多數是利用平均值、t檢驗法進行分析比較[9-10]，但由此得出來的結果并不能全面準確地反映茶葉中物質的變化規律。為此，筆者通過測定春、秋兩季茶葉中的礦質元素及生化成分含量，分別利用t檢驗法及兩正態總體均值向量檢驗法對不同季節茶葉中6種礦質元素及常規生化成分的差異進行分析，為區分不同季節茶葉的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1材料

1.1.1試材。試驗使用的英德紅茶樣本均由廣東省農業科學院茶葉研究所提供。茶種為英紅九號，茶樣來源于英德茶葉試驗基地，共44個樣品。茶葉采摘標準為一芽二葉，茶樣采摘、加工處理后密封貯存。試驗樣品的信息見表1。

表1 試驗樣品的信息

1.1.2試劑。Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、B、Cr、Cd、Pb標準溶液，由國家標準物質中心提供；磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、堿式醋酸鉛、硫酸亞鐵、酒石酸鉀鈉、硫酸、鹽酸、茚三酮、氯化亞錫、蒽酮、鹽酸、硝酸、高氯酸均為分析純；試驗用水為超純水。

1.1.3儀器。TAS-990型原子吸收分光光度計(北京普析公司)；HWS-26型電熱恒溫水浴鍋(上海一恒科技儀器有限公司)；AE 200型分析天平(上海梅特勒-托利多公司)；LNK-872型多功能快速消化器(江蘇宜興科教儀器研究所)，PHS-3C型pH計(上海雷磁儀器廠)；725N型紫外分光光度計(上海菁華科技儀器有限公司)。

1.2方法

1.2.1礦質元素測定。干法消解[11]處理茶葉樣本：稱取經粉碎過60目篩的茶樣1.000 0 g(精確到0.000 1 g)，置于30 mL瓷器坩堝中，在加熱板上碳化，直至樣品冒完黑煙，蓋上蓋子，放入高溫爐，于600 ℃灼燒6 h。冷卻至室溫后取出，往坩堝中加入少量水和1∶1鹽酸2 mL，將此溶液轉入20 mL比色管中定容至刻度，搖勻。將定容后的溶液過濾，得到試樣液，備用。同法處理2份空白樣品。采用原子吸收分光光度法測定茶葉樣本中Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu 6種礦質元素的含量。

1.2.2生化成分測定。

1.2.2.1茶樣準備。稱取經粉碎過60目篩的樣品1.000 g(精確至0.001 g)，放入250 mL錐形瓶中，加入90 mL沸水，浸提45 min，每10 min振蕩1次。浸提完畢后，趁熱過濾，待茶湯冷卻至室溫后加水定容至100 mL，備用。

1.2.2.2理化指標測定。水分含量采用快速水分測定儀進行測定；茶多酚含量測定采用福林酚法，按GB/T 8313—2008執行；游離氨基酸總量測定采用茚三酮比色法，按GB/T8314—2013執行；咖啡堿含量采用紫外分光光度法，按GB/T 8312—2013執行；可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法；水浸出物含量測定采用全量法，按GB/T8305—2013執行。

1.2.3兩正態總體均值向量的檢驗。采用兩正態總體方差均值法的檢驗模型，在顯著水平α=0.01下判斷春秋季節茶葉礦質元素或生化成分含量結果是否存在差異。記春季茶葉的礦質元素或生化成分測定結果的總體為X，并設X～N6(μ(1)，∑)；秋季茶葉測定結果的總體為Y，并設Y～N6(μ(2)，∑)，來自2個總體的樣本容量n1=16、n2=29

檢驗：

H0:μ(1)=μ(2)，H1:μ(1)≠μ(2)

取檢驗統計量為：

對給定α=0.01，利用SAS 9.4統計軟件進行分析。

1.2.4正態總體均值檢驗。采用SAS 9.4軟件對春秋兩季茶葉中礦質元素、生化成分進行差異性分析。

2 結果與分析

2.1礦質元素含量及差異性采用兩正態總體方差均值法的檢驗模型，在顯著水平α=0.01，通過SAS 9.4統計軟件分析，結果顯示，44個茶葉樣品均含有Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu 6種礦質元素，以 6種礦質元素作為總體而言，春秋兩季英德紅茶的礦質元素含量存在顯著差異。由表2可知，春、秋兩季英德紅茶中Ca、Mg含量較高，其次是Mn、Fe、Zn、Cu，這些礦質元素都是對人體健康有重要的營養保健價值。此外，英德紅茶中的礦質元素含量存在季節性差異。Ca、Mg、Mn含量的季節性變化為秋季大于春季；Fe、Zn、Cu含量的季節性變化為春季大于秋季。春秋兩季茶葉的礦質元素中Zn含量存在顯著差異，其他元素含量無顯著差異。

表2春、秋兩季茶葉各元素含量均值檢驗

Table2Themeantestofthecontentofmineralelementsinteainspringandautumn

礦質元素Mineral element季節Season平均值Average value∥%標準差Standard deviationP值P-ValueCa春季3 062.64840.460.322秋季3 280.15607.33Mg春季1 831.51263.390.285秋季1 926.04288.98Fe春季86.4823.440.407秋季77.3240.00Mn春季457.27247.510.138秋季599.94328.64Zn春季36.6710.390.002**秋季27.877.05Cu春季23.459.570.240秋季20.437.26

注：**表示差異極顯著(P<0.01)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)

2.2礦質元素相關性對春、秋兩季茶葉中6種礦質元素進行相關分析，其相關系數及差異性結果見表3～4。由表3～4可見，春季英德紅茶礦質元素中，Ca含量與Mg、Zn、Cu含量存在負相關關系，Mn含量與Zn、Cu含量存在負相關關系，但均不顯著；Cu含量與Mg、Zn含量存在顯著正相關關系。秋季英德紅茶礦質元素中，Ca含量與Mg、Fe、Zn、Cu含量存在負相關關系，Cu含量與Mg、Mn含量存在負相關關系，但均不顯著；Cu含量與Zn含量存在顯著正相關關系。

表3春季茶葉礦質元素間的相關系數

Table3Correlationcoefficientsbetweenmineralelementsinspringtea

礦質元素Mineral elementCaMgFeMnZnCuCa1.000Mg-0.1831.000Fe0.1140.0701.000Mn0.0960.1900.2481.000Zn-0.4480.4940.013-0.1961.000Cu-0.1060.523*0.205-0.1250.851**1.000

注：**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)，*showed significant differences(P<0.05)

2.3生化含量及差異性采用國家茶葉標準方法測定春、秋季英紅九號紅茶的常規生化成分含量，并對春、秋季英紅九號紅茶的茶多酚、氨基酸、咖啡堿、可溶性糖、水浸出物含量進行差異性分析。結果表明，水浸出物、茶多酚及氨基酸等5種常規成分含量作為總體進行分析，春秋兩季茶葉中的生化成分含量存在極顯著差異(P<0.01)。

表4秋季茶葉6種礦質元素間的相關系數

Table4Correlationcoefficientsbetweenmineralelementsinautumntea

礦質元素Mineral elementCaMgFeMnZnCuCa1.000Mg-0.0691.000Fe-0.3210.2571.000Mn0.2160.0290.1781.000Zn-0.2760.2290.2050.0151.000Cu-0.188-0.0450.004-0.0800.805**1.000

注：**表示差異極顯著(P<0.01)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)

由表5可見，44個茶葉樣品均含有茶多酚、氨基酸及可溶性糖等生化組分，其中春季茶葉中的游離氨基酸、可溶性糖及咖啡堿含量高于秋季；春秋兩季的茶多酚、氨基酸及水浸出物含量存在顯著差異。茶多酚、氨基酸是重要的滋味物質，其氨基酸含量越高，形成的茶葉則滋味鮮醇、香氣也好[9]。

表5春、秋兩季茶葉生化成分含量均值檢驗

Table5Themeantestofthecontentofbiochemicalcomponentsinspringandautumntea

生化成分Biochemical component季節Season平均值Average value∥%標準差Standard deviationP值P-Value水浸出物春季33.092.560.024*Water extract秋季35.692.87茶多酚春季12.391.640.000**Tea Polyphenols秋季15.863.25氨基酸春季3.320.640.002**Amino acids秋季2.840.40可溶性糖春季3.380.560.173Soluble sugar秋季3.360.28咖啡堿春季50.500.590.751Caffeine秋季46.674.98

注：**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)，*showed significant differences(P<0.05)

2.4生化成分相關性由表6～7可見，春季英德紅茶生化成分中，咖啡堿含量與可溶性糖含量存在顯著的負相關關系；茶多酚含量與氨基酸、可溶性糖含量存在正相關關系，但不顯著。秋季英德紅茶生化成分中，氨基酸含量與茶多酚、咖啡堿含量均存在顯著的負相關關系；茶多酚含量與可溶性糖、咖啡堿含量存在正相關關系，但不顯著。

表6春季茶葉生化成分間的相關系數

Table6Correlationcoefficientsbetweenbiochemicalcomponentsinspringtea

生化成分Biochemical component茶多酚Tea polyphenols氨基酸Amino acids可溶性糖Soluble sugar咖啡堿Caffeine茶多酚Tea Polyphenols1.000氨基酸Amino acids0.1271.000可溶性糖Soluble sugar0.1800.0231.000咖啡堿Caffeine-0.348-0.373-0.582**1.000

注：**表示差異極顯著(P<0.01)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)

表7秋季茶葉生化成分間的相關系數

Table7Correlationcoefficientsbetweenbiochemicalcomponentsinautumntea

生化成分Biochemical component茶多酚Tea polyphenols氨基酸Amino acids可溶性糖Soluble sugar咖啡堿Caffeine茶多酚Tea Polyphenols1.000氨基酸Amino acids-0.446*1.000可溶性糖Soluble sugar0.000-0.3911.000咖啡堿Caffeine0.089-0.590**-0.0551.000

注：**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)，*showed significant differences(P<0.05)

3 討論

3.1礦質元素分析礦質元素中部分元素是生物機體生長發育過程中必需物質，當機體缺少某種礦質元素，機體將不能正常完成某些生存和繁育的過程[12-14]。茶樹中必需元素為H、C、O、N、P、K、S、Ca，必需的微量元素為Mg、Mn、Cu、Fe、B、Si、Zn、Mo等，這些礦質元素在茶樹生長發育過程中均起到重要的生理作用[5，15]。茶樹在生長過程中選擇性地從環境、土壤中富集多種礦質元素，種植茶樹的土壤、環境氣候及加工方法等因素會對茶葉中微量元素的含量存在一定的影響，不同季節間茶葉中微量元素含量會有一定差異，部分元素間差異顯著。陳學文等[16]研究表明，嶺頭單叢茶葉在不同季節中均含有Ca、Mg、Fe、Zn等12種元素，其中Ca、Mg含量最高。不同季節的嶺頭單叢茶微量元素含量存在一定的差異，但是這些變化不管在哪個季節均呈現規律性變化，嶺頭單叢茶對微量元素的吸收和富集的大小規律并不會隨季節的改變而發生變化。林瓊等[17]研究也表明，不同季節苦丁茶微量元素含量存在一定差別，這與茶樹在不同季節選擇性吸收和富集微量元素有關。

該試驗表明，英德紅茶在春秋兩季中均含有Ca、Mg、Mn、Fe、Zn、Cu 6種元素，對春秋兩季間單種礦質元素的含量進行統計分析，除Zn元素外，其他元素均無顯著差異。以6種元素作為總體而言，春秋兩季英德紅茶的礦質元素含量存在顯著差異。雖然春秋兩季茶葉中微量元素存在一定的差異，但是茶樹對礦質元素吸收、富集的規律是一致的，從大到小依次為Ca、Mg、Mn、Fe、Zn、Cu。這說明了英德紅茶對礦質元素的吸收與富集在春秋兩季會有一定的差異，但對礦質元素富集比例并不會隨著季節的變化而發生改變，這可能是季節的變化過程中，光照、雨水、濕度、溫度、肥料[18]等外部環境的變化，導致茶樹對礦質元素的生理需求及從種植土壤中吸收和富集礦質元素的種類和需要量也發生變化[19]。

該試驗測定了6種礦質元素，春秋兩季茶葉的Zn元素存在顯著差異，其他元素均無顯著差異。為了探究這6種元素之間的相關性關系，所以運用SAS軟件分別對春季或秋季茶樣中6種微量元素測定結果進行相關性分析。根據相關性分析結果顯示，春季英德紅茶中Ca含量與Mg、Zn、Cu含量存在負相關關系，Mn含量與Zn、Cu含量存在負相關關系，但差異均不顯著；Cu含量與Mg、Zn含量存在顯著正相關關系。秋季英德紅茶中Cu含量與Zn含量存在顯著正相關關系，結果表明茶葉微量元素間存在協同或者拮抗作用。冉登培[20]研究表明，不同的微量元素之間存在拮抗或協同作用，一些元素間存在正相關或者負相關性。有研究表明，在茶葉葉面噴施含Zn和Se等元素的營養液，隨著營養液濃度的遞增，茶葉中Se、Zn的濃度也明顯遞增。在一定噴施濃度下，Zn與Cu、Mn等元素表現出協同效應，但營養液濃度超過一定濃度后會表現為拮抗效應[13]。

3.2生化成分分析植物體內所含的有機成分含量會與所處地區的環境氣候條件以及土壤環境存在一定的相關性。茶樹喜溫濕環境、耐陰，因此空氣相對濕度、降水量、氣溫、光照等氣候條件的變化，對茶樹生長會產生較大的影響，影響茶葉的產量和品質[21]。氣溫高、日照強，茶樹體內碳代謝水平會相對較高，氮代謝水平低，從而造成多酚類物質含量增加，氨基酸、維生素芳香物質等含量減少。從理論上分析，通過探明引起某一生化成分含量變化的環境調控因子以及所表現的變化類型即可對茶樹品種進行生態型分類[22]。

茶葉水浸出物是茶葉中可溶于水的各種物質的總稱，主要包括多酚類(包括水溶性色素)、游離氨基酸、可溶性糖、水溶維生素、水溶果膠、咖啡堿、水溶蛋白、無機鹽等。該試驗中，春秋兩季的水浸出物含量平均值分別為33.09%、35.69%，水浸出物含量存在顯著差異。春秋兩季的茶多酚及氨基酸的含量存在差異。以常規生化成分作為總體而言，春秋間的生化成分存在顯著差異(P<0.01)。說明不同季節間的生化成分含量存在差異，其原因可能是因為不同季節間的溫濕、降雨量或土壤環境等的差異會影響茶樹的生長發育情況，從而導致茶葉中生化成分發生差異。

4 結論

英德紅茶富含茶多酚、氨基酸、Ca、Mg、Zn、Cu等營養物質，春秋兩季英德紅茶中礦質元素、生化成分含量存在一定差異。通過以礦質元素或生化成分含量作為整體，采用兩正態總體均值向量檢驗法等分析方法進行統計分析可在一定程度上區分春、秋季節茶葉，為探究區分不同季節茶葉礦質元素或生化成分提供參考。

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